Elektrische en elektrisch hybride voertuigen. Stand van zaken anno ir. Patrick Debal Projectleider hybride ontwikkeling Punch Powertrain

Elektrische en elektrisch hybride voertuigen Stand van zaken anno 2011

ir. Patrick Debal Projectleider hybride ontwikkeling Punch Powertrain

Overzicht • Geschiedenis • Definities en begrippen • Technologie • Knelpunten • Ontwikkelingen bij Punch Powertrain • Proeftuin EV

20110607

Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken 2011

2

GESCHIEDENIS

20110607


3

Eerste elektrische en hybride wagens Lohner-Porsche (1899)

Henri Pieper (patent, 1905)

20110607

Detroit Electric (1907)


4

Recentere elektrische wagens (1995-2003)

Peugeot 106, Peugeot Partner en Renault Clio

GM EV1 20110607


5

Recentere elektrische wagens Nissan Leaf (2010) Elektrisch voertuig

20110607

Motor

PMAC / 280 Nm / 80 kW

Batterij

360 V / 24 kWh

Verbruik/bereik

173 Wh/km / 175 km

Topsnelheid Accelleratie

145 km/h 11.9 s (0-100 km/h)


6

Recentere elektrische wagens GM Volt/Opel Ampera (2010) Elektrisch voertuig met bereikuitbreiding Va. € 42900

20110607

Motor

PMAC / 370 Nm / 111 kW

Batterij

360 V / 16 kWh

Verbruik/bereik

? Wh/km / 65 km (480 km)


160 km/h 9.0 s (0-100 km/h)


7

Recentere elektrische wagens Renault Kangoo ZE (2010) Elektrisch voertuig Va. € 20000 excl. BTW Batterij va. €72/mnd. excl.

20110607

Motor

PMAC / 226 Nm / 44 kW

Batterij

? V / 22 kWh

Verbruik/bereik

? Wh/km / 160 km


130 km/h nvt


8

Recentere elektrische wagens Ford Transit Connect (2010)

Elektrisch voertuig € ±45000

20110607

Motor

Inductie / 292 Nm / 105 kW

Batterij

? V / 28 kWh

Verbruik/bereik

? Wh/km / 128 km


120 km/h nvt


9

Recentere elektrische wagens Volvo C30E (2011)

Elektrisch voertuig Leasing

20110607

Motor

PMAC / 220 Nm / 82 kW

Batterij

360 V / 24 kWh

Verbruik/bereik

? Wh/km / 150 km


130 km/h 11 s (0-100 km/h)


10

Recente hybride wagens

Toyota Prius (1997, 2001, 2003, 2009)

Honda Insight (1999), Civic (2001) en Insight (2010)

Honda CRZ (2010) 20110607


11

Waarom 80 jaar tussen de eerste en de volgende marktintroductie(s)? De eerste benzinewagens waren niet gemakkelijk in gebruik: • Geen of beperkt aantal versnellingen • Starten met een zwengel • Benzine was aanvankelijk niet goedkoop en niet gemakkelijk te verkrijgen Maar deze nadelen verdwenen vanaf 1920 Maar nu worden we geconfronteerd met: • Klimaatverandering en andere milieufenomenen • Overheidsmaatregelen • “Peak oil” fenomeen 20110607


12

Waarom 10 jaar tussen de tweede en de laatste marktintroductie ? De batterij was de voornaamste technische oorzaak: • Beperkt bereik • Problemen met levensduur, in het bijzonder na verkeerde behandeling • Kostprijs bij vervanging • Hierdoor een nichevoertuig voor bedrijven die niet graag met niches bezig zijn Maar er bestaan ook verschillende complottheoriën “Who Killed the Electric Car?”

20110607


13

Waarom wel hybrides in deze periode? Hybride wagens hebben niet de nadelen van elektrische wagens: • Een bereik zoals een klassieke wagen • Minder grote batterij (kostprijs) • Minder belasting van deze batterij Maar: • Ze verbruiken nog steeds brandstof en • Ze zijn nog steeds een nicheproduct met een marktaandeel van ongeveer 2%.

20110607


14

DEFINITIES EN BEGRIPPEN

20110607


15

Elektrisch voertuig Een elektrisch voertuig (EV) of een elektrisch aangedreven voertuig is een voertuig dat aangedreven wordt door één of meerdere elektrische motoren. Bij personenwagens worden de motoren gevoed door batterijen. Alternatieve voedingen zijn leidingen of rails (treinen, trolleybussen, metrostellen, ...)

20110607


16

Verdere begrippen Elektrisch bereik: • Afstand die afgelegd kan worden met een volgeladen batterij tot de indicatie van een lege batterij aan gaat • Genormeerde test: – NEDC cyclus – Geen andere elektrische verbruikers Laadtoestand (state-of-charge of SoC): • Hoeveelheid lading resterend in de batterij • Uitgedrukt in % van het maximum • Bruikbaar venster: 100/95% tot 20% 20110607


17

Elektrisch hybride voertuigen Een hybride is • de combinatie van twee verschillende zaken • Om een bepaald objectief of doel te bereiken (*) Een elektrisch hybride voertuig (HEV) is een voertuig dat • Een verbrandingsmotor en (een) elektrische motor(en) gebruikt om het voertuig aan te drijven (*) • Met als doel: – Een lager verbruik – Lagere emissies (zowel CO2 als schadelijke emissies) – Elektrisch rijden in specifieke situaties (*) Bron: www.wikipedia.org 20110607


18

Hybride configuraties Serieel hybride

Parallel hybride

Toyota Synergy Drive

(mogelijke configuratie)

ICE

EG

EM

20110607

Bat EMG Bat

TM

EG

ICE

ICE Bat EM


19

Hybride configuraties Lading onderhoudend (charge sustaining): • Hybride die de batterijlading binnen grenzen houdt waardoor de batterij niet bijgeladen moet worden Oplaadbare hybride (plug-in hybrid): • Hybride die aanvankelijk meer elektrische energie zal benutten en dan de batterij op een lage lading zal behouden waardoor de batterij bijgeladen kan worden Bereikuitbreider (range extender): • Elektrische aandrijving met de mogelijkheid het rijbereik uit te breiden mits inschakelen van een verbrandingsmotor 20110607


20

TECHNOLOGIE

20110607


21

Technologie • Verbrandingsmotoren • Elektrische motoren • Vermogenelektronica • Batterijen

20110607


22

Verbrandingsmotoren Enkel voor hybride voertuigen en range extenders Welk type: • Benzinemotoren: nog steeds de meest populaire keuze op wereldvlak, goedkoper per kW • Dieselmotoren: enkel populair in Europa, (te) duur voor hybride • Alternatieven: – Gasturbines: te laag rendement voor dit vermogen – Brandstofcel: kostprijs, brandstof (kip en ei?), andere bezwaren

20110607


23

Elektrische motoren Drie mogelijke technieken voor elektrische motoren: • Inductiemotoren • Permanent magneetmotoren – Gelijkstroom: mechanisch ompolen – Wisselstroom: elektronisch gestuurd • Geschakelde reluctanciemotoren (switched reluctance of SR)

20110607


24

Elektrische motoren Technologie

PMDC/PMAC

Inductie

SR

Rendement

Æ 93%

Æ 90%

Æ 93%

Kostprijs

Hoog

Laag

Gemiddeld Potentieel laag

Piek/Nominaal

3

3

10

Sp. vermogen (piek)

Hoog

Laag

Hoog

Betrouwbaarheid/ degelijkheid

Laag (PMDC) Gemiddeld (PMAC)

Hoog

Zeer hoog

Voordelen

Rendement Compact

Kostprijs

Nadelen

Kostprijs Perm. magneten Niet voor hoge temp.

Grootte/massa Rendement

Kostprijs Rendement Betrouwbaarheid Complex control

20110607


25

Vermogenelektronica Voornaamste taken: • Gelijkspanning van de batterij omzetten in gepaste stroomprofiel voor de motor • Geleverde stroom van de generator omzetten in gelijkstroom om de batterij te laden • Stroomprofielen verschillen per motortechnologie: – Inductie: wisselstroom aan wisselende frequentie – PMAC: specifieke stroomprofielen aan wisselende frequentie – SR: nog complexere stroomprofielen in functie van werkingsomstandigheden en aan wisselende frequentie • Gebruik van PWM 20110607


26

Batterijen • Vereisten: – energiedichtheid – Wh/kg & Wh/l – vermogensdichtheid – W/kg & W/l – levensduur: aantal cycli & aantal jaren • Verschillende samenstellingen, elk met zijn spanning: – Loodzuur, PbAc (2.0 V) – Nikkel-cadmium, NiCd (1.2 V) – Nikkelmetaalhydride, NiMH (1.2 V) – LiIon & LiPolymeer (3.6-3.7 V) – Li-gebaseerd alternatief: LiFePO4 (3.2-3.3 V) – Andere: Nikkel-zout (Zebra, ± 300°C) • Supercondensatoren 20110607


27

Batterijen - Energiedichtheid

20110607


28

Batterijen – Energie- en vermogendichtheid

20110607


29

Batterijen

Source: Sven Bauer, New Lithium Ion Technologies, Performance Characteristics for Different Fields of Applications, Advanced Battery Technologies, July 2008 20110607


30

KNELPUNTEN

20110607


31

Waarom (nog) geen doorbraak? Hybride voertuigen: • Brandstofprijs nog te laag voor de meerkost • Voorlopige concurrentie van de dieselvoertuigen • Huidig beperkt aanbod Elektrische voertuigen: • Aankoopprijs • Bereik, zeker bij gebruik van verwarming/airco, lichten, ... • Levensduur van de batterijen • Prestaties van de batterijen in de winter • Beschikbaarheid van de laadpunten 20110607


32

Waarom (nog) geen doorbraak? Gedragsverandering nodig van de gebruiker: • Nu aankoopbeslissing op basis van extreem gebruik van de wagen (bv. met gezin 1x per jaar op vakantie) • Gebruik van de wagen (voorbeeld) 80% van de tijd aan

20% van de capaciteit

10%

40%

5%

70%

5%

100%

• In een bedrijf zou anders geïnvesteerd worden Ö Een gedragsverandering biedt kansen voor EV’n 20110607


33

En de oorsprong van de elektriciteit Rekening houdend met het rendement van de elektriciteitsproductie, het transport, het laadproces en het elektrisch voertuig: • Hernieuwbare elektriciteit (wind, water en zon) zijn ideaal • Nucleaire elektriciteit geeft geen CO2 maar wel andere nadelen • Elektriciteit uit STEG-centrales is ong. CO2 neutraal • Elektriciteit uit kolencentrales gebruiken in elektrische voertuigen leidt tot meer CO2.

20110607


34

ONTWIKKELINGEN BIJ PUNCH POWERTRAIN 20110607


35

Inleiding Punch Powertrain Onafhankelijk ontwikkelaar en producent van aandrijfsystemen voor personenwagens Punch Powertrain moederbedrijf in België • Pionier in CVT transmissies met duwband • R&D • Applicatie projecten • Verkoop (wereld) • Productie van complete CVTs • Productie van “key components” (riemschijven & hydraulisch blok) 20110607


36

Introduction Punch Powertrain Punch Powertrain – Nanjing • 100% eigendom van Punch Powertrain België • Bouwen van complete CVTs • Operationeel sinds midden 2008 • Reeds10 klanten in China, 13 in totaal

20110607


37

Strategie Punch Powertrain De klant een volledig gamma aandrijfsystemen aanbieden van conventioneel, over hybride tot zuiver elektrisch met de volgende kenmerken: • Energiezuinig • Comfortabel • Aan een heel competitieve kostprijs: – Applicatieproject (= implementeren van de aandrijving) – Aandrijfsysteem zelf (tijdens productie) – Gebruikskost (onderhoud)

20110607


38

Strategie Punch Powertrain Conventioneel 2006

HEV

EV

VT2

2007 2008 2009

VT3

Proto Proto

2010 2011 2012 2013 20110607

VT2+

VT3+ HT1


ET1 39

Hybride concept POWERTRAIN MANAGEMENT

HCU

BCU

CAN

ECU

TCU

MCU

BMS

ICE EMG

+ CVT

PowEl Bat Punch Powertrain Technology

20110607


40

Hybride aandrijving: hoofdpunten Hoog rendement: • Elektrische motor in POST positie • Met de CVT is een diepgaande optimalisatie mogelijk • Robuste strategie ontwikkeld Ö Brandstofbesparing voor lading ondersteunende hybrides > 25%

20110607


41

Hybride aandrijving: hoofdpunten Relatief lage kostprijs: • “Eenvoudige” integratie van de elektrische motor met een ketting • Gebruik van veel standaardonderdelen van de VT2 • Geschakelde reluctantiemotor (geen perm. magn.)

20110607


42

Hybride aandrijving: hoofdpunten Relatief eenvoudige integratie in het voertuig: • Wijzigingen in het motorcompartiment beperkt • Lengte van de aandrijving = identiek aan niet-hybride • Hoogte van de aandrijving = identiek aan niet-hybride Smart ForFour engine bay

20110607


43

Hybride aandrijving: hoofdpunten POWER HYBRID

()

CONVENTIONAL

ECONOMY HYBRID & PLUG-IN

EV WITH RANGE EXTENDER

20110607


44

Elektrische aandrijving Juli 2009 – Eerste testen van de hybride demonstrator op de rollenbank in elektrische mode.

Uit een mail naar PsiControl mechatronics: “Alle rijders waren onder de indruk van de Punch die achter de PsiControl-motor zit.” 20110607


45

Elektrische aandrijving Bouw van een elektrische Smart ForFour

20110607


46

Elektrische aandrijving Bevindingen Smart ForFour EV: • Goede trekkracht tot 70 km/h • Daarboven onvoldoende trekkracht • Nieuwe geluiden (elektrische motor en vermogenelektronica) moet verminderen • Goede wagen om – Ervaring mee op te doen en – Technologie te demonstreren

Ö Goede basis voor verdere ontwikkelingen 20110607


47

Elektrische aandrijving Ontwikkeling van elektrische motoren: • Overgenomen van PsiControl mechatronics • Geschakelde reluctantie • Twee motoren in één bouwgrootte: – 300 V: 208 Nm en 30 kW – 450 V: 208 Nm en 50 kW

• Verwachte verbetering: – 30% hoger koppel/vermogen binnen zelfde bouwgrootte – Verkorten/verlengen ifv. marktvraag

20110607


251

48

Elektrische aandrijving Ontwikkeling van EV tandwielkast: • Eén vaste ratio • Geschikt voor 1 en voor 2 motoren • Vermogenbereik van 30 kW tot 100 kW (130 kW)

20110607


49

Elektrische aandrijving Nieuw demonstratievoertuig

20110607


50

PROEFTUIN EV

20110607


51

Proeftuin EV Initiatief van de Vlaamse regering om de introductie van elektrische voertuigen te vergemakkelijken: • Platformen = geheel van – Infrastructuur: voertuigenparken met bijhorende laadinfrastructuur – Gebruikers: instanties die gegevens en ervaringen gebruiken – Testpopulatie: chauffeurs van de voertuigen – Projecten: onderzoek uitgevoerd op de platformen

• Punch Powertrain stelt 50 EV bestelwagens ter beschikking in 2 platformen, waaronder EV TecLab 20110607


52

EV TecLab Platform in de proeftuin EV onder leiding van Punch Powertrain met de meeste Vlaamse bedrijven die onderzoek in en ontwikkeling van elektrische aandrijvingen uitvoeren.

20110607


53

Nuttige websites • www.punchpowertrain.com – Productinformatie – Publicaties – VACATURES vooral in R&D (20+)

• • • •

www.hybridcars.com www.plugincars.com www.greencarreports.com www.greencarcongress.com

20110607


54

Het hybride onderzoeks- en ontwikkelingsproject geniet de financiële steun van het IWT in het kader van O&O bedrijfsprojecten

20110607


55

20110607


56

Elektrische en elektrisch hybride voertuigen. Stand van zaken anno ir. Patrick Debal Projectleider hybride ontwikkeling Punch Powertrain

Recommend Documents